DE4233720C2

DE4233720C2 - Einrichtung für die Verhinderung von Überschlägen in Vakuum-Zerstäubungsanlagen

Info

Publication number: DE4233720C2
Application number: DE4233720A
Authority: DE
Inventors: Johann Stuermer; Michael Luebbehusen; Gernot Thorn
Original assignee: Leybold AG; Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1992-10-07
Filing date: 1992-10-07
Publication date: 2001-05-17
Anticipated expiration: 2012-10-08
Also published as: DE59303309D1; JPH06220629A; JP3516305B2; EP0591675B1; US6440281B1; ES2094433T3; DE4233720A1; EP0591675A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei Zerstäubungs- oder Sputteranlagen, in denen ein Target einer Kathode durch auftref fende Ionen zerstäubt wird, damit sich die zerstäubten Target-Teilchen direkt oder nach vorheriger chemischer Vereinigung mit anderen Teilchen auf einem Substrat nieder schlagen, stellt man häufig Überschläge fest. Diese Überschläge finden in der Regel zwischen Kathode und Anode statt; es können jedoch auch Überschläge zwischen den Elektroden und anderen Teilen der Anlage auftreten. Besonders häufig kommen Über schläge beim reaktiven Zerstäuben von Metalloxiden bzw. Metallnitriden vor. Dies hat sei nen Grund darin, daß die Entstehung von mehr oder weniger gut isolierenden Schichten auf der Targetoberfläche nicht vermieden werden kann, die ihrerseits mit der Targetober fläche kleine Kondensatoren bilden. Da diese Schichten mit dem Plasma in Verbindung stehen, laden sie sich auf und erzeugen schließlich eine derart hohe elektrische Feldstärke, daß es zum Durchbruch kommt, der eine Bogenentladung zwischen Kathode und Anode zur Folge hat. Hieraus resultieren punktuelle Zerstörungen des Targets und damit Schicht defekte auf dem Substrat.

Um derartige Überschläge zu vermeiden, wurde bereits vorgeschlagen, eine Gleichstrom- Magnetkathode, die an eine Gleichstromquelle angeschlossen ist, mit Hilfe einer angepaß ten, zusätzlichen Schaltung periodisch für kurze Zeitspannen auf positives Potential zu bringen, wobei die Frequenz des periodischen Umpolens in Abhängigkeit von der abzu scheidenden Schicht einstellbar ist (deutsche Patentanmeldung 42 02 425.0). Das Umpolen wird mit Hilfe von vier Schaltern durchgeführt, von denen zwei eine Verbindung zwischen einer Spannungsquelle und der Kathode der Anlage und zwei eine Verbindung zwischen dieser Spannungsquelle und der Anode dieser Anlage herstellen können. Als Schalter kön nen hierbei Thyristoren eingesetzt werden, die jedoch eine relativ komplizierte Ansteue rung erfordern.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Umpolung einer Elektrode in einer Gleichstrom-Zerstäubungsanlage zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im fol genden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Gleichstrom-Sputteranlage mit einer erfindungs gemäßen Einrichtung zum Verhindern von Überschlägen;

Fig. 2 eine Prinzip-Darstellung zweier sich überlagernder Kathoden-Potentiale;

Fig. 3 eine resultierende Kathodenspannung;

Fig. 4 eine Pulsgenerator-Steuerung für eine Kathode.

In der Fig. 1 ist eine Zerstäubungs- oder Sputteranlage 1 dargestellt, die ein Gehäuse 2 auf weist, das mit einem Gaseinlaßstutzen 3 und einem Gasauslaßstutzen 4 versehen ist. In dem Gehäuse 2 liegen sich eine Kathode 5 und eine Anode 6 gegenüber. Die Kathode 5 ist topfförmig ausgebildet und umfaßt ein Target 7, aus dem während des Betriebs Teilchen herausgeschlagen werden. Auf der Anode 6, die als Drehteller ausgebildet sein kann, be findet sich ein Substrat 8, das durch das Plasma behandelt wird, welches sich zwischen Anode und Kathode ausbildet. Die Behandlung kann darin bestehen, daß das Substrat 8 aus dem Plasma heraus beschichtet oder geätzt wird. Die Kathode 5 ist über eine Leitung 9 an das negative Potential einer Stromversorgung 11 angeschlossen, während die Anode über eine Leitung 10 an dem positiven Potential dieser Stromversorgung 11 liegt.

Die Kathode 5 ist außerdem noch mit einer Impulsstromquelle 12 verbunden, deren Aus gangspotential sich dem negativen Potential der Stromversorgung 11 überlagert. Das Aus gangspotential der negativen Stromversorgung 11 ist beispielsweise U_K0 = -500 Volt, während das Potential der Impulsstromquelle 12 etwa U_P = +510 . . . 600 Volt beträgt, so daß sich ein ΔU_K von ca. +10 . . . 100 Volt ergibt.

In der Fig. 2 ist näher dargestellt, wie der Potentialverlauf an der Kathode 5 ist. Dem nega tiven Gleichspannungspotential U_K0 der Stromversorgung 11 ist eine impulsförmige Spannung U_P aus der Impulsstromquelle 12 überlagert. Diese impulsförmige Spannung U_P ist oberhalb der t-Achse so dargestellt, wie sie aus der Impulsstromquelle 12 kommt, d. h. ohne Überlagerung. Die resultierende Kathodenspannung U_K ist in der Fig. 2 gestri chelt dargestellt. Man erkennt hieraus, daß das an sich negative Potential der Stromversor gung 11 an der Kathode 5 von Zeit zu Zeit auf positives Potential gebracht wird. So steht z. B. während der Zeit T₁-T₂ an der Kathode 5 negatives Potential U_K0 an, um dann zwischen T₂ und T₃ auf positivem Potential zu liegen. Die impulsförmigen Spannungen aus der Impulsstromquelle 12 haben eine positive Amplitude, die um einen Betrag ΔU_K größer sind als die negative Amplitude der Gleichspannung U_K0. Hierdurch ergibt sich während der Zeit T₂ bis T₃ eine insgesamt positive Spannung von der Größe ΔU_K an der Kathode 5. Durch diese Spannung findet eine Entladung der erwähnten kleinen Kondensa toren am Target statt, so daß ein Durchbruch dieser Kondensatoren und damit auch ein Überschlag verhindert wird.

Die Lage eines Impulses, z. B. T₃ - T₂, beträgt z. B. weniger als 100 µs, während die Zeit zwischen zwei Impulsen das 100- bis 1000fache hiervon beträgt.

Die Breite und Abstände der Impulse aus der Impulsstromquelle 12 können beliebig ge wählt werden.

In der Fig. 3 ist noch einmal die überlagerte Kathodenspannung U_K mit konkreten Zeit- und Amplitudenwerten dargestellt. Man erkennt hierbei deutlich, daß die positiven Span nungsimpulse nur für eine relativ kurze Zeit auftreten.

Die Fig. 4 zeigt nähere Einzelheiten über die Impulssteuerung. Zwischen der Stromversor gung 11 und der Kathode 5 ist hierbei eine Drossel 20 geschaltet, welche u. a. eine Strom begrenzung bewirkt. Der Impulsgeber selbst ist als Steuerung 21 ausgebildet, die einen Schalter 22 in einem vorgegebenen Takt schließt und öffnet und hierbei die Spannung einer Gleichspannungsquelle 23 über einen Widerstand 24 auf die Elektrode 5 gibt bzw. von dieser fernhält. Es versteht sich, daß die Steuerung 21 so ausgelegt sein kann, daß sich das Impuls-Taktverhältnis beliebig einstellen läßt. Ein Kondensator parallel zur Span nungsquelle 23 ist so ausgelegt, daß er eine Spannung mit der benötigten Amplitude lie fert. Der Schalter 22 kann als Röhre, Thyristor oder Transistor realisiert sein.

Die Auslegung der Anordnung erfolgt derart, daß ein Strom von der Größe des Kathoden stroms über die gewünschte Pulszeit aus dem Kondensator 25 getrieben werden kann, z. B. beträgt der Kathodenstrom I_K = -50 A bei einem ΔU_K von 100 Volt und einer Pulsdauer von 10 µs. Die Kapazität des Kondensators 25 berechnet sich somit aus

i_o = C . du_o/dt oder C = i_odt/du_o

zu
C = 50 A . 10^-5 s/100 V = 5 µF.

Claims

1. Einrichtung für die Verhinderung von Überschlägen in Vakuum-Zerstäubungs anlagen, mit

a) einer Gleichspannungsquelle (11), deren negatives Potential an einer Kathode (5) der Vakuum-Zerstäubungsanlage (1) liegt,
b) einer Anordnung, welche die Kathode (5) für vorgebbare Zeitabschnitte auf positi ves Potential (ΔU_K) anhebt,

dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung eine Pulsstromversorgung (12) ist, die mit der Kathode (5) in Verbindung steht.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (6) der Vakuum-Zerstäubungsanlage (1) und die Pulsstromversorgung (12) gleiches positives Bezugspotential (Leitung 10) aufweisen.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bezugspotential Masse ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bezugspotential Erde ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsstromversor gung die Gleichspannungsquelle (11) ist, die entsprechend getaktet wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsstromversor gung eine Gleichspannungsquelle (23) ist, die über einen steuerbaren Schalter (22) mit der Kathode (5) verbindbar ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungs quelle (11) über eine Drossel (20) mit der Kathode (5) verbunden ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Schal ter ein GTO-Thyristor ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pulsgenerator (21) vorgesehen ist, der den steuerbaren Schalter (22) schaltet.

10. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Gleich spannungsquelle (23) ein Kondensator (25) geschaltet ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Kondensators (25) etwa 5 µF beträgt.